|摘要|關(guān)于非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚合理的南北屋面投影寬度未見(jiàn)報(bào)道。根據(jù)不同時(shí)期太陽(yáng)直射光線(xiàn)在非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚地面上的變化，要求當(dāng)室外最低溫度小于-5℃時(shí)，以保證室內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天能接受太陽(yáng)光直射為條件，得出不同緯度地區(qū)非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚北屋面的合理揭簾時(shí)期，并據(jù)此得出非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚南、北屋面投影寬度、脊高的計(jì)算方法。利用該方法對(duì)中國(guó)北緯31°～40°地區(qū)主要城市非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，北屋面投影寬度占跨度的比例為0.23～0.38，其中西寧地區(qū)的比例最小。該方法可為國(guó)內(nèi)非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

引言

非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚是一種具有特色的溫室形式，它結(jié)合了日光溫室南面采光、北面保溫的特點(diǎn)，同時(shí)又具有塑料大棚價(jià)格低廉、土地利用率高的特點(diǎn)，近年來(lái)在中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)、黃淮海地區(qū)、華北地區(qū)以及西北地區(qū)等得到了推廣與應(yīng)用[1-2]。研究人員對(duì)這種保溫塑料大棚內(nèi)部光熱環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試分析，武瑩等發(fā)現(xiàn)18 m跨度非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚在冬季的平均最低氣溫在4.0℃以上[3]，春秋季最低氣溫在13.0℃以上[4]。為了提高冬季室內(nèi)最低溫度，研究人員在塑料大棚內(nèi)部利用生物質(zhì)發(fā)酵釀熱技術(shù)，測(cè)試結(jié)果表明這種釀熱保溫塑料大棚應(yīng)用效果較好[5-6]。

由于保溫塑料大棚具有低成本、大空間、便于機(jī)械化等優(yōu)良性能，目前在保溫塑料大棚內(nèi)部種植的植物類(lèi)型也比較多，如中藥材、蔬菜、西甜瓜、果樹(shù)等。但是具體針對(duì)某一類(lèi)作物的非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚合理南北屋面投影寬度未見(jiàn)報(bào)道，尤其是中國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異較大，因此，在非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚建造過(guò)程中不能完全照搬其他地區(qū)的塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

在寒冷的冬季，非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚北屋面外覆保溫被有助于減少室內(nèi)熱量流失，不過(guò)相應(yīng)的北側(cè)透光率也會(huì)降低[3]。隨著外界氣溫升高，太陽(yáng)直射光在室內(nèi)地面的投影也在逐漸向南移動(dòng)。北側(cè)保溫被可以開(kāi)始揭簾的時(shí)期十分重要，過(guò)早或過(guò)晚揭簾均不利于非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚的發(fā)展，因此需要選擇合適的揭簾時(shí)期。目前使用保溫塑料大棚種植最多的作物是蔬菜，主要種植茬口是春提前和秋延后。本研究借助日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法[7]，以早春茬喜溫蔬菜為研究對(duì)象，擬根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)，確定不同地區(qū)非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚北屋面揭簾的合理時(shí)期，基于此得到非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚南北屋面投影寬度與脊高的計(jì)算方法。

非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚北屋面

揭簾合理時(shí)期

在嚴(yán)寒冬季，非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚北屋面外一直覆蓋保溫被，可有效地減少室內(nèi)熱量流失。然而，隨著室外氣候變暖，太陽(yáng)直射光在室內(nèi)地面的投影也在逐漸向南移動(dòng)，其中最為關(guān)鍵的部分是什么時(shí)間節(jié)點(diǎn)非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天接收太陽(yáng)光直射，同時(shí)當(dāng)天北屋面可以開(kāi)始適當(dāng)揭簾以增加北側(cè)太陽(yáng)散射光進(jìn)入。時(shí)間節(jié)點(diǎn)過(guò)早，則非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚內(nèi)熱量流失過(guò)多，夜間室內(nèi)氣溫會(huì)過(guò)低;時(shí)間節(jié)點(diǎn)過(guò)晚，則室內(nèi)北側(cè)作物接收太陽(yáng)光照射的總量會(huì)降低，不利于作物生長(zhǎng)發(fā)育。

根據(jù)武瑩等[3]的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)室外最低溫度變化范圍為-15～-5℃時(shí)，非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚內(nèi)平均最低氣溫為4.1℃，番茄在夜間的最低耐受空氣溫度為5℃[8]。為此，以滿(mǎn)足植物夜間生長(zhǎng)發(fā)育溫度為優(yōu)先條件，選擇以室外月平均最低溫度為-5℃作為閾值，即當(dāng)平均最低溫度超過(guò)-5℃時(shí)，北屋面才開(kāi)始適當(dāng)揭簾，而當(dāng)平均最低溫度低于-5℃時(shí)，應(yīng)保證在正午時(shí)刻室內(nèi)北側(cè)最后一排作物能夠接受太陽(yáng)光直射，依此選擇非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚北屋面合適的揭簾時(shí)期。

目前新型保溫塑料大棚理念已逐漸在中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)以及北方一些日光溫室占主導(dǎo)地位的地區(qū)開(kāi)始探索與實(shí)踐[1]。為此，本研究以中國(guó)北緯31°～40°地區(qū)主要城市為代表，表1為1998～2012年這些城市在1～6月份的月平均最低氣溫和月平均最高氣溫。從表1可看出，合肥、南京、西安在2月份的平均最低溫度已超過(guò)-5℃，平均最高溫度已達(dá)到15℃;北京、石家莊、鄭州、濟(jì)南在3月份的平均最低溫度均已超過(guò)-5℃，平均最高溫度已超過(guò)20℃;太原、蘭州、西寧、銀川在4月份的平均最低溫度均已超過(guò)或接近-5℃，平均最高溫度已超過(guò)25℃。根據(jù)上述選擇依據(jù)，不同地區(qū)非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚北屋面合理的揭簾時(shí)期如表2所示。

非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚屋面投影

寬度確定方法

非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚主要用于春提前和秋延后蔬菜栽培生產(chǎn)，它的屋面主要是由南屋面和北屋面兩部分組成。

非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚南屋面傾角

前屋面是指屋脊與塑料大棚南底腳的連線(xiàn)，是非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚的主要采光面。屋面形狀和屋面傾角是前屋面的兩個(gè)基本參數(shù)，由于不同弧面形狀的采光屋面對(duì)溫室總進(jìn)光量的影響差別不大[10]，因此，試驗(yàn)過(guò)程不考慮前屋面弧面形狀對(duì)溫室采光的影響。

非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚南屋面傾角設(shè)計(jì)方法采用日光溫室前屋面傾角設(shè)計(jì)方法，即保證在冬至日正午前后4 h內(nèi)（10：00～14：00）非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚能從南屋面獲得最大采光量，考慮到入射角在一定范圍內(nèi)透光率變化較小，選用入射角為43°[11]。

依據(jù)冬至日10：00的太陽(yáng)高度角和方位角，確定相對(duì)應(yīng)的塑料大棚南屋面角，計(jì)算公式為[11]：

（1）

式中：α—非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚的合理南屋面角;

α10—冬至日上午10：00的理想屋面角，α10=90°-43°-h10W;

h10W—冬至日上午10：00的太陽(yáng)高度角;

γ10W—冬至日上午10：00的太陽(yáng)方位角。

太陽(yáng)高度角h是指太陽(yáng)直射光線(xiàn)與地平面的夾角，可由下式確定[12]：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω ? ? ? ? ? （2）

由表5可知，當(dāng)非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚跨度為17.0 m時(shí)，脊高為6.0 m，北屋面投影寬度為4.1 m，而在表3中，相同跨度的非對(duì)稱(chēng)保溫塑料塑料大棚其脊高僅為5.1 m，北屋面投影寬度為6.0 m。脊高越高，意味著與后一棟塑料大棚之間的間距越大。由于表4與表5中非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚的跨度相同，這也意味著脊高更高的非對(duì)稱(chēng)塑料大棚，其土地利用率會(huì)更低。

除此之外，植物冠層高度、走道設(shè)置位置、作物定植時(shí)期等都會(huì)影響非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，尤其是近年來(lái)，葡萄、桃、杏、櫻桃、無(wú)花果、中草藥以及西甜瓜等逐漸在保溫塑料大棚中栽培，目前以這些作物為研究對(duì)象的保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法還較少，尤其是通風(fēng)降溫、跨度、高度等參數(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中仍然以喜溫蔬菜為研究對(duì)象，下一步需要進(jìn)一步針對(duì)不同類(lèi)型作物開(kāi)展保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

本研究提出了一種確定非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚屋面投影寬度與脊高的方法。該方法根據(jù)不同日期太陽(yáng)直射光線(xiàn)在室內(nèi)地面上投影的變化，當(dāng)室外最低溫度小于-5℃時(shí)，保證室內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天能接受太陽(yáng)光直射為條件，得出不同緯度地區(qū)非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚北屋面的合理揭簾時(shí)期，并據(jù)此得出非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚南、北屋面投影寬度、脊高等參數(shù)，其中非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚的南屋面投影寬度占跨度的比例為0.62～0.77，北屋面投影寬度占跨度的比例為0.23～0.38，可為中國(guó)非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 周長(zhǎng)吉.周博士考察拾零（七十五）大跨度保溫塑料大棚的實(shí)踐與創(chuàng)新（上）[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2017，37（34）：20-27.

[2] 周長(zhǎng)吉.周博士考察拾零（七十六）大跨度保溫塑料大棚的實(shí)踐與創(chuàng)新（下）[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2018，38（1）：38-43.

[3] 武瑩，李建明，肖金鑫，等.新型大跨度非對(duì)稱(chēng)塑料大棚內(nèi)冬季溫光變化特征研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，47（6）：97-106.

[4] 武瑩，李建明.典型季節(jié)大跨度非對(duì)稱(chēng)塑料大棚內(nèi)溫光性能分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（10）：125-135.

[5] 肖金鑫，李建明，武瑩.大跨度非對(duì)稱(chēng)釀熱溫室熱環(huán)境及節(jié)地增產(chǎn)效果分析[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，48（1）：1-12.

[6] 孫亞琛，朱超，何斌，等.大跨度非對(duì)稱(chēng)水控釀熱保溫日光溫室性能分析[J].北方園藝，2017（12）：55-60.

[7] 曹晏飛，荊海薇，趙淑梅，等.日光溫室后屋面投影寬度與墻體高度變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（7）：183-189.

[8] 鄒志榮，邵孝侯.設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2008.

[9] 中國(guó)氣象年鑒編輯部.中國(guó)氣象年鑒[M].北京：氣象出版社，1999-2013.

[10] 軒維艷.日光溫室采光屋面曲線(xiàn)數(shù)學(xué)模型的建立與分析[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，12（4）：44-46.

[11] 魏曉明，周長(zhǎng)吉，曹楠，等.基于光照的日光溫室總體尺寸確定方法研究[J].北方園藝，2010（15）：1-5.

[12] 彥啟森，趙慶珠.建筑熱過(guò)程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1986.

[13] 北京眾博熙泰農(nóng)業(yè)科技有限公司.節(jié)能日光溫室屋面參數(shù)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2015，35（11）：92-93.

*項(xiàng)目支持：陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019TSLNY01-03），陜西省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（NYKJ-2019-YL06），現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（CARS-23-C05）。

作者簡(jiǎn)介：曹晏飛，男，湖南婁底人，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化及環(huán)境調(diào)控研究。E-mail：caoyanfei@nwsuaf.edu.cn。

[引用信息]曹晏飛，石苗，李建明.非對(duì)稱(chēng)保溫塑料大棚南北屋面投影寬度優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（10）：34-38.